JP2005305913A - 樹脂材のレーザ溶着方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 治具側の構造を改良することで、十分な面圧を確保でき、良好な溶着が可能となる樹脂材のレーザ溶着方法を提供する。
【解決手段】 レーザ光Ｌに対して透過性の材料からなる押え治具３が、レーザ光に対して透過性のある第２の樹脂材２に面する対向面に凸条部３１が設けられており、この凸条部３１で第１と第２の樹脂材１，２を押圧した状態で、レーザ光Ｌを凸条部を通って溶着部に照射する。透明な押え治具に凸条部を設けることで溶融膨張による圧力に十分に対処することができる加圧力を確保できる。また、透明な押え治具３に凹条溝部３２を設けることも可能である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザ光に対して透過性のある樹脂材と吸収性のある樹脂材とを重ね合わせて、その接合部にレーザ光を照射することで両者を溶着する樹脂材のレーザ溶着方法に関する。
従来より、レーザ光に対して透過性のある樹脂材と吸収性のある樹脂材とを重ね合わせて、その接合部に透過性樹脂材越しにレーザ光を照射することで、吸収性樹脂材を発熱させ、互いを溶融することで両者を溶着する樹脂材のレーザ溶着は、知られている。このようなレーザ光による樹脂材の溶着技術は、レーザの低価格化とともに、製品の小型化、コストダウン及び高信頼性へのニーズへの貢献が期待されている。またこのレーザ溶着工法は、従来の工法と比較して非接触、３次元加工が可能となることから、今後採用が飛躍的に増加するものと考えられている。
ところで、従来の技術では、図３に示すようにガラス板等の透明な材料により押え治具３を形成し、重ね合わされた両樹脂材１，２の透過性樹脂材２の上から押さえ、透明な押え治具３越しにレーザ光Ｌを照射することで、吸収性樹脂材１と透過性樹脂材２とを溶着する方法が多く用いられている。しかしながら、この溶着方法では、押え治具３及び両樹脂材１，２がともに略平坦な面で構成されているため、溶着部に加える面圧を十分に確保することが困難であり、両樹脂材間に隙間Ｄ等が存在すると加圧が十分に伝わらず、ボイド及び未溶着等の欠陥を発生するという問題がある。
また、溶着部に加える面圧を確保する手段として、加圧を増加させる必要があるが、逆に押え治具の剛性により透明な押え治具にそりが発生し、均一な加圧が得られないという問題がある。
また、本出願人が先に提案したように、吸収性樹脂材にリブ（突起）を設けることで面圧を確保し、両樹脂材間の隙間を無くすことで良好な溶着を得るという方法では、両樹脂材間の継ぎ手形状が複雑化するため、樹脂材の成形型の設計が困難であるという短所がある。このため、樹脂製品の形状はそのままで、即ち成形型はそのままで、治具によりレーザ溶着品質を確保するレーザ溶着技術が早期に確立する必要が求められている。
更に、透明な押え治具を使用する場合にあっては、傷等により溶着時に発熱すると透過性樹脂材と透明な押え治具との間で熱が伝わり、汚れるため押え治具の交換が必要になるという問題がある。
また、上記従来技術の方法では、レーザ光照射側の透過性樹脂材２や透明な押え治具３によってレーザ光Ｌが屈折、散乱するため、溶着部分においてレーザ光Ｌの小径化が困難となり、微細溶着は難しいという問題があった。この問題を解決するために、特許文献１では、レーザ照射側の押え治具にレーザ光を集光するレンズ機能をもたせることによって、微細溶着を可能としている。
特開２００１−３３４５７８号公報（図５，６，７）
しかしながら、この特許文献１によるレーザ溶着方法においても、溶着時に傷、ごみ等の要因でレンズ機能付押え治具が汚れ、押え治具の交換が必要となる。このレンズ機能付押え治具は、製造コストが高く、押え治具の頻繁な交換はコストアップを招くという問題がある。
本発明は、上記問題に鑑みてなされたもので、その第１の目的は、樹脂材側の継ぎ手形状を考慮することなしに、治具側の構造を改良することで、両樹脂材間の十分な面圧が確保でき、両者を良好な溶着が可能となる樹脂材のレーザ溶着方法を提供することである。
本発明の第２の目的は、透明な押え治具と透過性樹脂材との熱伝導を防止して、押え治具の汚染を防ぎ、押え治具の交換を削減して、コストの低減を図ることができる樹脂材のレーザ溶着方法を提供することである。
本発明は、前記課題を解決するための手段として、特許請求の範囲の各請求項に記載の樹脂材のレーザ溶着方法を提供する。
請求項１に記載の樹脂材のレーザ溶着方法は、レーザ光に対して透過性の材料からなる押え治具であって、レーザ光に対して透過性のある第２の樹脂材に面するこの押え治具の対向面に凸条部を形成し、この凸条部で密着した第１、第２の樹脂材を押圧した状態で、レーザ光を凸条部を通って溶着部に照射するようにしたものであり、これにより、樹脂材側の継ぎ手形状を考慮することなく、治具側の構造を変えることによって、両樹脂材間の溶着部に十分な面圧を付加することができ、良好な溶着が達成できる。
請求項２の該レーザ溶着方法は、押え治具の凸条部の上面を平坦にしたものであり、これにより、面圧を溶着部に有効に付加することができる。
請求項３に記載の樹脂材のレーザ溶着方法は、レーザ光に対して透過性の材料からなる押え治具であって、レーザ光に対して透過性のある第２の樹脂材に面するこの押え治具の対向面に凹条溝部を形成し、押え治具で第１、第２の樹脂材を押圧した状態で、レーザ光を凹条溝部を通って溶着部に照射するようにしたものであり、これにより、樹脂材側の継ぎ手形状を考慮することなく、治具側の構造を変えることにより、両樹脂材間の溶着部に十分な面圧を付加することができ、良好な溶着が可能となる。また、溶着時に発生した熱が第２の樹脂材と押え治具間で伝わることもなく、押え治具の汚損が防止でき、押え治具の交換頻度を低減することができる。
請求項４の該レーザ溶着方法は、第２の樹脂材に面する第１の樹脂材の対向面に、押え治具の凹条溝部に対応して凸条部を形成したものであり、これにより、一層効率よく両樹脂材間の溶着部に十分な面圧を付加することができる。
請求項５の該レーザ溶着方法は、第１の樹脂材の凸条部の上面を平坦にしたものであり、これにより、面圧を溶着部に有効に付加することができる。
請求項６の該レーザ溶着方法は、押え治具の凹条溝部の幅と第１の樹脂材の凸条突部の幅とを略同一になるようにしたものであり、これにより、両樹脂材間の溶着部に有効に面圧を加えることができると共に、押え治具と第２の樹脂材間の熱伝達も効果的に防止できる。
請求項７の該レーザ溶着方法は、押え治具の透過性材料が、ポリカーボネート（ＰＣ）か、又はＰＣをコーティングした材料か、又は強化ガラスであることを規定したものであり、これにより、レーザ光の透過性と共に十分な強度が確保できる。
以下、図面に従って本発明の実施の態様の樹脂材のレーザ溶着方法について説明する。図１は、本発明の第１実施形態の樹脂材のレーザ溶着方法について説明する図である。レーザ溶着は、レーザ光に対して吸収性のある第１の樹脂材１とレーザ光に対して透過性のある第２の樹脂材２とを重ね合わせて、両者を当接した状態で、第２の樹脂材２側からレーザ光Ｌをその接合部に照射することにより行われる。この場合、通常は上下２枚の押え治具３（図１，２には、上側の押え治具のみが示されている）によって、第１の樹脂材１と第２の樹脂材２とを互いに密着させるように押圧して、押え治具３側からレーザ光Ｌを照射する。そのため、少なくとも照射側の押え治具３は、レーザ光を透過する材料から作成されている。
押え治具３及び第２の樹脂材２側から照射されたレーザ光Ｌは、押え治具３と第２の樹脂材２を透過して吸収性のある第１の樹脂材１の当接面に達し、ここで吸収される。この第１の樹脂材１の当接面に吸収されたレーザ光Ｌがエネルギとして蓄積される結果、第１の樹脂材１の当接面が加熱溶融されると共に、この第１の樹脂材１の当接面からの熱伝達により、透過性の第２の樹脂材２の当接面が加熱溶融される。この状態で第１の樹脂材１と第２の樹脂材２の当接面同志（接合部）を圧着させれば、第１と第２の樹脂材１，２は一体的に溶着接合することができる。
こうして得られた接合部では、接合面同志が溶融されて接合されており、この接合面同志の間では第１及び第２の樹脂材１，２を構成する両樹脂が溶融して互いに入り込み絡まった状態（相溶状態）が形成されているため、強固な接合状態になる。このようなレーザ光の照射による溶着は、その接合強度が両樹脂材１，２の接合部への面圧の付加に依存している。また、第１と第２の樹脂材１，２の間に隙間Ｇが存在すると、十分な面圧が確保することが困難になり、その結果、ボイド等の溶着欠陥を発生する原因となる。
そこで、本実施形態では、平板状の押え治具３の第２の樹脂材２に面する対向面に凸条部３１を形成している。この凸条部３１は、押え治具３の対向面における第１と第２の樹脂材１，２の溶着部に対応する位置に設けられている。好ましくは、凸条部３１の上面は平坦になっている。したがって、第１の樹脂材１と第２の樹脂材２との接合部は、押え治具３の凸条部３１によって局部的に押圧されることによって面圧を十分に高めることができ、ボイド等の溶着欠陥のない良好な溶着が得られる。
なお、レーザ光Ｌは、凸条部３１を透過して接合部（溶着部）に照射される。
押え治具３は、その大部分が溶接対象物である樹脂材１、２の形状に沿った平板状あるいは曲面状の形状に形成されることができる。押え治具３は、その大部分の面で樹脂材１、２を互いに押し付けるように樹脂材２に接触することができる。凸条部３１は、凸状部とも呼びうるものである。凸条部３１は、押え治具３の一部分にのみ形成されている。凸条部３１は、それが形成された位置の近傍の押え治具３の面より樹脂材２に向けて突出する。凸条部３１は、樹脂材１、２の間に形成される溶着部の形状に対応して広がる形状をもつことができる。凸条部３１は、レーザ光Ｌの照射経路に沿った範囲に渡って広がる形状をもつことができる。レーザ光Ｌが走査され、その照射経路が細長く延びる場合には、凸条部３１は、押え治具３の面上に条線として細長く延在して形成されることができる。レーザ光Ｌが点状に照射される場合には、凸条部３１は、円柱状突起として形成することができる。また、レーザ光Ｌが接近してあるいは重複してラスタスキャンされる場合には、凸条部３１は、所定の範囲に広がる凸状台地として形成することができる。
この第１実施形態によると、少なくとも２つの樹脂材１、２を部分的に溶着してなる樹脂成形品が得られる。樹脂材１、２は、予め所定の形状に成形された後に、溶着されることができる。樹脂成形品は、２つの樹脂材１、２の接触面において両樹脂材を部分的に溶融、再硬化させて接合して形成されている。樹脂成型品は、その内部に溶融痕跡としての溶着部を有している。そして、その溶着部に対応する樹脂成型品の表面には、樹脂成型品をその厚さ方向に押圧した痕跡としての押圧痕を有することができる。例えば、溶着部の上に押圧痕は位置することができる。この押圧痕は、押え治具３の凸条部３１に対応して、樹脂成形品の表面のうち、溶着部に対応する部位にのみ形成されることができる。例えば、細長く延在する溶着部に沿って延在して形成されることができる。押圧痕は、透明な樹脂材２の表面にのみ形成されることができる。
図２は、本発明の第２実施形態の樹脂材のレーザ溶着方法を説明する図である。この実施形態では、平板状の押え治具３の第２の樹脂材２に面する対向面に先の凸条部３１に代えて凹条溝部３２を形成している。この凹条溝部３２は、押え治具３の対向面における第１と第２の樹脂材１，２の溶着部に対応する位置に設けられている。これによって、第１と第２の樹脂材１，２の接合部（溶着部）の面圧が改善される。この面圧を更に改善するためには、吸収性のある第１の樹脂材１の第２の樹脂材２に面する対向面に凸条部１１を形成する。第１の樹脂材１の凸条部１１は、接合部に対応する位置に設けられる。好ましくは、この凸条部１１の上面も平坦になっている。このように、押え治具３の凹条溝部３２と第１の樹脂材１の凸条部１１とは、溶着部に略対応する位置に設けられ、対向している。凹条溝部３２の幅Ｄと凸条部１１の幅ｄとは、略同一であることが好ましい。
したがって、第２実施形態では、溶着部への加圧力を十分に確保でき、ボイド等の溶着欠陥のない良好な溶着が得られると共に、溶着部に対応する第２の樹脂材２と押え治具３の部分は、凹条溝部３２の存在によって両者が直接接触していないので、溶着部の熱が第２の樹脂材２から押え治具３に伝わりにくいので、熱の伝導による押え治具３の汚れが防止できる。
押え治具３は、その大部分が溶接対象物である樹脂材１、２の形状に沿った平板状あるいは曲面状の形状に形成されることができる。押え治具３は、その大部分の面で樹脂材１、２を互いに押し付けるように樹脂材２に接触することができる。凹条溝部３２は、押え治具３の一部分にのみ形成されている。凹条溝部３２は、凹状部とも呼びうるものである。凹条溝部３２は、それが形成された位置の近傍の押え治具３の面より樹脂材２から離れて位置する底面と、凹条溝部３２を区画する側壁とを有する。凹条溝部３２は、樹脂材１、２の間に形成される溶着部の形状に対応して広がる形状をもつことができる。凹条溝部３２は、レーザ光Ｌの照射経路に沿った範囲に渡って広がる形状をもつことができる。レーザ光Ｌが走査され、その照射経路が細長く延びる場合には、凹条溝部３２は、押え治具３の面上に凹型断面をもった溝として細長く延在して形成されることができる。レーザ光Ｌが点状に照射される場合には、凹条溝部３２は、穴状に形成することができる。また、レーザ光Ｌが接近してあるいは重複してラスタスキャンされる場合には、凹条溝部３２は、所定の範囲に広がる凹状盆地として形成することができる。
この第２実施形態によると、少なくとも２つの樹脂材１、２を部分的に溶着してなる樹脂成形品が得られる。樹脂材１、２は、予め所定の形状に成形された後に、溶着されることができる。樹脂成形品は、２つの樹脂材１、２の接触面において両樹脂材を部分的に溶融、再硬化させて接合して形成されている。樹脂成型品は、その内部に溶融痕跡としての溶着部を有している。そして、その溶着部に対応する樹脂成型品の表面には、樹脂成型品をその厚さ方向に押圧した痕跡としての押圧痕が残されない。押圧痕は、樹脂成形品の表面のうち、溶着部に対応しない部位に残されることができる。この押圧痕は、樹脂成形品の表面のうち、溶着部に対応する部位にのみ残されない。押圧痕は、透明な樹脂材２の表面にのみ形成されることができる。
本発明の実施形態においては、押え治具３の透過性の材料は、レーザ光に対して透過性の優れた材料であって、ある程度の強度があれば任意である。例えば、ポリカーボネート（ＰＣ）や、このＰＣをコーティングした材料、及び強化ガラス等が好ましい。
レーザ光を吸収する第１の樹脂材１の種類としては、熱可塑性を有し、レーザ光を透過せずに吸収しうるものであれば特に限定されない。例えば、ポリアミド（ＰＡ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリオキシメチレン（ＰＯＭ）、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン（ＡＢＳ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、アクリル（ＰＭＭＥ）等の樹脂材に、カーボンブラック、染料や顔料等の所定の着色材を混入したものを使用することができる。
レーザ光を透過する第２の樹脂材２の種類としては、熱可塑性を有し、レーザ光に対して所定以上の透過率を有するものであれば特に限定されない。基本的に上記に例示した樹脂材が使用可能である。また透過性を確保できれば着色材を混入してもよい。
なお、第１及び第２の樹脂材１，２には、必要に応じて、ガラス繊維やカーボン繊維などの補強繊維を添加してもよい。
また、レーザ光に対して吸収性のある第１の樹脂材１とレーザ光に対して透過性のある第２の樹脂材２の組み合わせについては、互いに相溶性のあるもの同志の組み合わせが好適である。このような組み合わせとして、同種の樹脂同志の組み合わせの他、異種の樹脂の組み合わせも可能である。
加熱源として用いるレーザ光の種類としては、レーザ光を透過させる透過性樹脂の吸収スペクトルや板厚（透過長）等の関係で、透過性樹脂材内での透過率が所定値以上となるような波長を有するものが適宜選択される。例えば、ＹＡＧレーザ、半導体レーザ、ガラス−ネオジウムレーザ、ルビーレーザ、ヘリウム−ネオンレーザ、クリプトンレーザ、アルゴンレーザ、水素レーザ、窒素レーザ等を用いることができる。
レーザの照射方法としては、レーザ光を１点に集光させて接合部分を走査して溶着させる方法と、複数のレーザ光を用いて、溶着するパターンに一括で溶着を行う方法とがある。レーザを走査させる場合、レーザ光をＸ−Ｙテーブルやガルバノスキャニングミラーなどにより走査させる方法や、レーザ光を固定して溶着される樹脂材側を移動させる方法等がある。このように、いずれの方法を採用するにせよ、レーザの出力、照射密度や加工速度（移動速度）等の照射条件は、樹脂の種類等に応じて適宜設定可能である。
以上説明したように、本発明の実施形態では、透明な押え治具に凸条部を設けることで、溶着部の加圧力を十分に確保することができる。一般にレーザ溶着では、樹脂は溶融膨張するため、透過性樹脂材を押し上げるだけの十分な圧力が発生することが知られている。そのような圧力にも負けない押えをすることで、樹脂の凝固時に引け、ボイド等の欠陥のない溶着が実現できる。また、加圧が十分に伝わることで、今まで過剰に与えていた従来の方法よりも加圧効率が上がるため、押え治具まわりを改善することも可能である。気密が必要な製品の場合、レーザ光を連続的に走査し、オーバーラップさせることが重要である。また、レーザ光は２次元平面の走査だけでなく、ロボット等で保持することにより３次元走査も可能である。
更に、吸収性樹脂材に凸条部を設け、透明な押え治具に凹条溝を設けることでも同様の溶着効果が得られ、押え治具の傷、汚れによる交換等の必要が少なくなりコストダウンを図ることもできる。
このように、本発明の実施形態は、レーザ溶着に必要な部材同志の密着性を、高効率且つ安定的に実現できると共に、樹脂の損傷もないため、例えばインストルメントパネル、インテークマニホールド等の自動車部品、電池ケース等の電気・電子部品などにおける樹脂製品に必要な、小型化、高信頼性及びコストダウンを図ることができる。
本発明の第１実施形態の樹脂材のレーザ溶着方法を説明する図である。 本発明の第２実施形態の樹脂材のレーザ溶着方法を説明する図である。 従来技術の樹脂材のレーザ溶着方法を説明する図である。
符号の説明
１…第１の樹脂材（吸収性樹脂材）
１１…凸条部
２…第２の樹脂材（透過性樹脂材）
３…押え治具
３１…凸条部
３２…凹条溝部
Ｌ…レーザ光

Claims (7)

  1. レーザ光に対して吸収性のある第１の樹脂材と、レーザ光に対して透過性のある第２の樹脂材とを重ね合わせると共に、レーザ光に対して透過性の材料からなる押え治具によって前記第１と第２の樹脂材とを互いに密着させるように押圧している状態で、前記第２の樹脂材に面する前記押え治具側によりレーザ光を照射して、前記第１の樹脂材を加熱して、互いに両樹脂材を溶融することで両者を溶着する樹脂材のレーザ溶着方法において、
    前記第２の樹脂材に面する前記押え治具の対向面に、溶着部に対応して凸条部を形成すると共に、前記凸条部で両樹脂材を押圧した状態で、レーザ光を前記凸条部を通って溶着部に照射することを特徴とする樹脂材のレーザ溶着方法。
  2. 前記凸条部の上面が平坦であることを特徴とする請求項１に記載の樹脂材のレーザ溶着方法。
  3. レーザ光に対して吸収性のある第１樹脂材と、レーザ光に対して透過性のある第２の樹脂材とを重ね合わせると共に、レーザ光に対して透過性の材料からなる押え治具によって前記第１と第２の樹脂材とを互いに密着させるように押圧している状態で、前記第２の樹脂材に面する前記押え治具側によりレーザ光を照射して、前記第１の樹脂材を加熱して、互いに両樹脂材を溶融することで両者を溶着する樹脂材のレーザ溶着方法において、
    前記第２の樹脂材に面する前記押え治具の対向面に、溶着部に対応して凹条溝部を形成すると共に、前記押え治具で両樹脂材を押圧した状態で、レーザ光を前記凹条溝部を通って溶着部に照射することを特徴とする樹脂材のレーザ溶着方法。
  4. 前記第２の樹脂材に面する前記第１の樹脂材の対向面に、前記押え治具の前記凹条溝部に対応して凸条部を形成することを特徴とする樹脂材のレーザ溶着方法。
  5. 前記第１の樹脂材の前記凸条部の上面が平坦であることを特徴とする請求項４に記載の樹脂材のレーザ溶着方法。
  6. 前記押え治具の前記凹条溝部の幅と、前記第１の樹脂材の前記凸条部の幅とが、略同一であることを特徴とする請求項４又は５に記載の樹脂材のレーザ溶着方法。
  7. 前記押え治具の透過性材料が、ポリカーボネート（ＰＣ）か、ＰＣをコーティングした材料、又は強化ガラスであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の樹脂材のレーザ溶着方法。
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JP2012196850A (ja) * 2011-03-22 2012-10-18 Koito Mfg Co Ltd 溶着方法及び溶着装置
CN104608374A (zh) * 2013-11-01 2015-05-13 株式会社小糸制作所 熔敷方法以及熔敷装置
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